Основные понятия асинхронного программирования

В этой статье мы бегло познакомимся с основными понятиями, связанными с асинхронным программированием и как они применяются в веб браузерах и  JavaScript. Вы должны понять эти концепции, прежде чем приступать к другим статьям этого раздела.

Необходимые знания: Базовая компьютерная грамотность, знакомство с основами JavaScript.
Цель: Понять основные идеи асинхронного программирования, и как они проявляются в веб-браузерах и JavaScript.

Что же такое Асинхронность?

Как правило, программный код выполняется последовательно, только одна конкретная операция происходит в данный момент времени. Если функция зависит от результата выполнения другой функции, то она должна дождаться пока нужная ей функция не завершит свою работу и не вернет результат и до тех пор пока это не произойдет, выполнение программы, по сути, будет остановлено с точки зрения пользователя.

Пользователь современного ПК, наверняка, наблюдал, как курсор меняет свой вид и становится "разноцветным спинером" (у пользователей MacOS). Таким образом операционная система сообщает - "текущая программа, ожидает завершения какого то длительного процесса в системе и я решила сообщить тебе, что бы ты не волновался".

Multi-colored macOS beachball busy spinner

Такое поведение удручает и говорит о неправильном использовании процессорного времени, к тому же современные компьютеры имеют процессоры с несколькими ядрами. Не нужно ничего ждать, вы можете передать следующую задачу свободному ядру процессора и когда она завершится, то сообщит вам об этом. Такой подход позволяет выполнять разные задачи одновременно, в этом и заключается задача асинхронности в программировании. Программная среда, которую вы используете (браузер в случае веб разработки), должна иметь возможность выполнять различного рода задачи ассинхронно.

Блокировка кода

Асинхронные техники очень полезны, особенно при веб разработке. Когда ваше приложение запущено в браузере и выполняет свои задачи, не возвращая контроль окружению, браузер может подвисать. Это называется блокировка; браузер заблокирован и не может реагировать на действия пользователя и выполнять служебные.задачи, до тех пор пока веб приложение не освободит ресурсы процессора.

Давайте рассмотрим несколько примеров, которые покажут, что именно значит блокировка.

В нашем simple-sync.html примере (see it running live), добавим кнопке событие на клик, чтобы при нажатии на нее запускалась трудоемкая операция (рассчет 10000000 дат, и вывод последнейрассчитаной даты на консоль) после чего в DOM добавляется еще один параграф:

const btn = document.querySelector('button');
btn.addEventListener('click', () => {
  let myDate;е  for(let i = 0; i < 10000000; i++) {
    let date = new Date();
    myDate = date
  }

  console.log(myDate);and then adds a paragraph to the DOMDOM 

  let pElem = document.createElement('p');
  pElem.textContent = 'This is a newly-added paragraph.';
  document.body.appendChild(pElem);
});

Когда запустите этот пример, откройте JavaScript консоль и нажмите на кнопку — вы заметите, что параграф не появится на странице, до тех пор пока все даты не будут рассчитаны и результат последнего вычисления не будет выведен на консоль. Этот код выполняется в том порядке, в котором он написан в файле и самая последняя операция не будет запущена, пока не завершатся все операции перед ней.

Примечание: Предыдущий пример слишком не реальный. Вам никогда не понадобится считать столько дат в реальном приложении! Однако, он помогает вам понять основную идею.

В нашем следующем примере, simple-sync-ui-blocking.html (посмотреть пример), мы сделаем что-нибудь более реалистичное, с чем вы сможете столкнуться на реальной странице. Мы заблокируем действия пользователя отрисовкой страницы. В этом примере у нас две кнопки:

  • Кнопка "Fill canvas", если на нее кликнуть, рисует в элементе миллион синих кругов.
  • Кнопка "Click me for alert", при нажатии показывает предупреждение.
function expensiveOperation() {
  for(let i = 0; i < 1000000; i++) {
    ctx.fillStyle = 'rgba(0,0,255, 0.2)';
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(random(0, canvas.width), random(0, canvas.height), 10, degToRad(0), degToRad(360), false);
    ctx.fill()
  }
}

fillBtn.addEventListener('click', expensiveOperation);

alertBtn.addEventListener('click', () =>
  alert('You clicked me!')
);

Если вы быстро нажмете на первую кнопку и затем быстро кликните на вторую, вы увидите, что предупреждение не появится на странице, пока все круги не будут отрисованы. Первая операция блокирует выполнение следующей до тех пор пока не завершится сама.

Примечание: Хорошо, в приведенном некрасивом примере, мы получили эффект блокировки, который показывает общую проблему  при разработке приложений, с которой все время приходится бороться разработчикам.

Почему так происходит? Потому что JavaScript, в общем случае, выполняет команды в одном потоке. Пришло время познакомиться с понятием потока.

Потоки

Под потоком, обычно, понимают одиночный процесс, который может использовать программа, для выполнения своих нужд. Каждый поток может выполнять только одну в текущий момент времени:

Task A --> Task B --> Task C

Каждая задача будет выполнена последовательно; только когда текущая задача завершится, следующая сможет начаться.

Как мы говорили выше, большинство компьютеров теперь имеют процессор с несколькими ядрами, т.е. могут выполнять несколько задач одновременно. Языки программирования, поддерживающие многопоточность, могут использовать несколько ядер, чтобы выпонять несколько задач одновременно:

Thread 1: Task A --> Task B
Thread 2: Task C --> Task D

JavaScript однопоточный

JavaScript, традиционно для скриптовых языков, однопоточный. Даже, если есть несколько ядер, вы можете использовать их только для выполнения задач в одном потоке, называемом основной поток. Наш пример выше, выполняется следующим образом:

Main thread: Render circles to canvas --> Display alert()

В итоге, JavaScript получил несколько инструментов, которые могут помочь в решении подобных проблем. Web workers позволяют вам обработать некоторый JavaScript код в отдельном потоке, который называется обработчик, таким образом вы можете запускать отдельные блоки JavaScript кода одновременно. В основном, вы будете использовать воркеры, чтобы запустить ресурсоемкий процесс, отдельно от основного потока, чтобы не блокировать действия пользователя.

  Main thread: Task A --> Task C
Worker thread: Expensive task B

Помня об этом, выполните наш следующий пример simple-sync-worker.html (посмотреть пример в действии), с открытой консолью. Это переписанный предыдущий пример, который теперь рассчитывает 10 миллионов дат в отдельном потоке обработчика. Теперь, когда вы нажимаете на кнопку, браузер может добавить новый элемент на страницу, до того как все даты будут посчитаны. Самая первая операция больше не блокирует выполнение следующей.

Асинхронный код

Воркеры полезный инструмент, но у них есть свои ограничения. Самое существенное, заключается в том, что они не имеют доступа к DOM — вы не можете использовать воркер для обновления UI. Мы не можем отрисовать миллион наших точек  внутри воркера; он может только обработать большой объем информации.

Следующая проблема заключается в том, что даже если код запущенный в воркере ничего не блокирует, он в целом остается синхронным. Это проблема появляется, когда какой-то функции требуются результаты выполнения нескольких предыдущих функций. Рассмотрим следующую диаграмму потоков:

Main thread: Task A --> Task B

В этом примере, предположим Task A делает что-то вроде получения картинки с сервера а Task B затем делает что-нибудь с полученной картинкой, например, применяет к ней фильтр. Если запустить выполняться Task A и тут же попытаться выполнить Task B, то вы получите ошибку, поскольку картинка еще не будет доступна.

  Main thread: Task A --> Task B --> |Task D|
Worker thread: Task C -----------> |      |

Теперь, давайте предположим, что Task D использует результат выполнения обеих задач Task B и Task C. Если мы уверенны, что оба результата будут доступны одновременно, тогда не возникнет проблем, однако, часто это не так. Если Task D попытаться запустить, когда какого-то нужного ей результата еще нет, выполнение закончится ошибкой.

Чтобы избежать подобных проблем, браузеры позволяют нам выполнять определенные операции асинхронно. Такие возможности, как Promises позволяют запустить некоторую операцию (например, получение картинки с сервера), и затем подождать пока операция не вернет результат, перед тем как начать выполнение другой задачи:

Main thread: Task A                   Task B
    Promise:      |__async operation__|

Поскольку операция выполняется где-то отдельно, основной поток не блокируется, при выполнении асинхронных задач.

В следующей статье, мы покажем вам, как писать асинхронный код. Захватывает дух, неправда ли? Продолжайте читать!

Заключение

При проектировании современных программ все больше используется асинхронное программирование, чтобы программа имела возможность выполнять несколько операций в конкретный момент времени. Как только вы начнете использовать новые, более мощные возможности API, вы обнаружите множество ситуаций, где решить нужную задачу можно только асинхронно. Раньше было сложно писать асинхронный код. До сих пор, нужно время, чтобы привыкнуть к такому подходу, но процесс стал намного легче. Далее, в этом разделе, мы будем глубже исследовать вопрос, когда же асинхронный код необходим и как спроектировать программу, чтобы избежать проблем, описанных выше.

В этом модуле